CN108346337B - 一种两用手术仿真训练装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种两用手术仿真训练装置，包括转动操作单元，转动操作单元上固定安装有手术操作部，转动操作单元与手术操作部上均安装有可读取其转动角度或位移信号的信息反馈单元以及提供反馈力的驱动单元，手术操作部上安装有压力感应单元，压力感应单元用以检测手术操作部受到的力。本发明通过压力感应单元的设置实现了虚拟手术的模拟和操作者对人造模型操作的双重功能；压力感应单元用于监测手术操作部碰到人体器官时受到的力，并将受力的具体数值传输与计算机屏幕上，通过数值的显示和上限值的设置训练操作者的手感，使操作者的操作感受更直观。

Description

一种两用手术仿真训练装置
技术领域
本发明涉及教学训练装置技术领域，具体的说是一种两用手术仿真训练装置。
背景技术
微创手术以创伤小、疼痛轻、出血少、恢复快的显著特点，以最大程度体贴病人、减轻病人的痛苦的理念愈来愈为人们所重视。随着腹腔镜、胸腔镜、宫腔镜等内窥镜及各种手术工具制造精度的提高，以计算机为核心的视觉图像处理和实时监测技术不断发展，微创手术技术日益成熟，相比传统外科手术在普外、泌尿、骨科、五官、妇科等方面有着更为广泛的应用。
相比较传统手术，微创手术对医生的医技要求非常高，快速有效提高微创手术医生(尤其是初学者)的技能是十分关键。微创外科培训有两种模式，一种是直接在尸体、动物、人体模型做手术实验；另一种基于计算机视觉引导的微创手术仿真训练系统。但两者不可通用，使手术仿真训练系统具有一定的局限性。
发明内容
根据以上现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提出一种两用手术仿真训练装置。
本发明解决其技术问题采用以下技术方案来实现：
一种两用手术仿真训练装置，包括转动操作单元，转动操作单元上固定安装有手术操作部，转动操作单元与手术操作部上均安装有可读取其转动角度或位移信号的信息反馈单元以及提供反馈力的驱动单元，手术操作部上安装有压力感应单元，压力感应单元用以检测手术操作部受到的力。
转动操作单元包括垂直转动组件与水平转动组件，垂直转动组件安装于水平转动组件上，垂直转动组件与水平转动组件为手术操作部提供反馈力。
水平转动组件包括转动台，转动台内安装有水平电机与水平转动传感器，水平电机与水平转动传感器均通过齿轮传动与垂直传动组件相连接。
垂直转动组件包括支撑架，支撑架内安装有垂直电机与垂直转动传感器，垂直电机与垂直转动传感器均通过齿轮传动与手术操作部相连接。
手术操作部包括操作手柄、永磁性操作杆与力反馈控制装置，永磁性操作杆内部设有一柱形永磁铁，永磁性操作杆的一端与操作手柄固定连接，力反馈控制装置的中部设有一与永磁性操作杆杆径大小相当的通孔，永磁性操作杆自由地穿过该通孔，力反馈控制装置固定设置于垂直转动组件上，力反馈控制装置内位于永磁性操作杆的两侧设有一带铁心的力反馈线圈及其驱动电路。
压力感应单元包括侧向力感应器与正向力感应器，侧向力感应器安装在力反馈控制装置上，用于感应永磁性操作杆的侧向力，正向力感应器安装在永磁性操作杆与操作手柄的连接处，用于感应永磁性操作杆受到的正向力。
侧向力感应器包括至少三个应变片，应变片沿径向均布设置在力反馈控制装置上。
力反馈控制装置的一端设置有固定圈，固定圈与力反馈控制装置之间设有用于固定应变片的连接部，连接部沿固定圈的中心轴线呈辐射状均布设置，永磁性操作杆穿过固定圈。
操作手柄上设有测力容腔，测力容腔内设有球形测力块，正向力感应器安装在测力容腔的前后两个侧壁上，永磁性操作杆贯穿过测力容腔，并与球形测力块相连接。
本发明的有益效果是：
本发明通过压力感应单元的设置实现了虚拟手术的模拟和操作者对人造模型操作的双重功能；压力感应单元用于监测手术操作部碰到人体器官时受到的力，并将受力的具体数值传输与计算机屏幕上，通过数值的显示和上限值的设置训练操作者的手感，使操作者的操作感受更直观。
附图说明
下面对本说明书附图所表达的内容及图中的标记作简要说明：
图1为本发明的具体实施方式的两用手术仿真训练装置的立体图；
图2为本发明的具体实施方式的两用手术仿真训练装置的主视图；
图3为本发明的具体实施方式的两用手术仿真训练装置的侧视图；
图4为本发明的具体实施方式的手术操作部的结构示意图；
图5为本发明的具体实施方式的正向力感应器的安装位置示意图。
具体实施方式
下面通过对实施例的描述，本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。
一种两用手术仿真训练装置，包括转动操作单元1，转动操作单元1上固定安装有手术操作部2，转动操作单元1与手术操作部2上均安装有可读取其转动角度或位移信号的信息反馈单元以及提供反馈力的驱动单元，手术操作部2上安装有压力感应单元3，压力感应单元3用以检测手术操作部2受到的力。在实际操作中，信息反馈单元能够实时监测到转动操作单元1和手术操作部2上各部件的转动角度或位移量的动作信息，并将其传输于外部设备，从而实现其动作数据的适时监测，并经由外部的数据处理单元将其对数据处理后产生的具象化的三维仿真图像表现至计算机屏幕上，驱动单元为转动操作单元1和手术操作部2提供反馈力，模拟手术时碰到人体器官受到的阻力，最终实现对手术的模拟仿真；当对人造模型操作时，压力感应单元3用于监测手术操作部2碰到人体器官时受到的力，并将受力的具体数值传输与计算机屏幕上，通过设置数值的上限训练操作者的手感，使操作者的操作感受更直观。
转动操作单元1包括水平转动组件与垂直转动组件，垂直转动组件安装于水平转动组件上，垂直转动组件与水平转动组件为手术操作部2提供反馈力。其中，操作者模拟手术操作过程，最少需要左右旋转、上下旋转、器械前后移动、器械自旋转与器械剪切五个自由度的动作以及力反馈，水平转动组件用于提供左右旋转的力反馈，垂直转动组件用于提供上下旋转的力反馈。
水平转动组件包括转动台11，转动台11内安装有水平电机12与水平转动传感器13，水平电机12与水平转动传感器13均通过齿轮传动与垂直传动组件相连接。其中，手术器械在操作者的带动下左右旋转，水平转动传感器13用于感测手术器械左右旋转的角度，当手术器械转动到三维仿真图像预设的位置时，控制系统驱动水平电机12，水平电机12通过齿轮啮合给垂直传动组件施加反向的作用力，用于模拟操作者在水平方向碰到人体器官时的作用力。
垂直转动组件包括支撑架14，支撑架14内安装有垂直电机15与垂直转动传感器16，垂直电机15与垂直转动传感器16均通过齿轮传动与手术操作部2相连接。其中，手术器械在操作者的带动下上下旋转，垂直转动传感器16用于感测手术器械上下旋转的角度，当手术器械转动到三维仿真图像预设的位置时，控制系统驱动垂直电机15，垂直电机15通过齿轮啮合给手术操作部2施加反向的作用力，用于模拟操作者在垂直方向碰到人体器官时的作用力。
手术操作部2包括操作手柄21、永磁性操作杆22与力反馈控制装置23，永磁性操作杆22内部设有一柱形永磁铁，永磁性操作杆22的一端与操作手柄21固定连接，力反馈控制装置23的中部设有一与永磁性操作杆22杆径大小相当的通孔，永磁性操作杆22自由地穿过该通孔，力反馈控制装置23固定设置于垂直转动组件上，力反馈控制装置23内位于永磁性操作杆22的两侧设有一带铁心的力反馈线圈及其驱动电路。其中，力反馈控制装置23内位于永磁性操作杆22的两侧设有一带铁心的力反馈线圈及其驱动电路，其铁心轴向与永磁性操作杆22的轴向相垂直，其通电产生的磁场方向符合安培定则，操作这控制操作手柄21即可使永磁性操作杆22在力反馈控制装置23中的通孔中前后动作，或者使永磁性操作杆22绕垂直转动部件的伸出的轴上下动作，在操作者使用手术仿真训练系统进行训练时，永磁性操作杆22内设有永磁体，具有永磁性，永磁性操作杆22可自由地在力反馈控制装置23中前后滑动而不受影响。当永磁性操作杆22接触到训练系统中设定好的腔体内壁模型时，仿真训练系统的计算机通过驱动电路使力反馈线圈通电产生电流一定的电场，进而产生一与真实腔体内壁触感相似的磁场，从而使得操作者在学习过程中真正体验到手术过程的真实手感。
压力感应单元3包括侧向力感应器31与正向力感应器32，侧向力感应器31包括至少三个应变片，应变片均布安装在手术操作部2上，正向力感应器32设置在手术操作部2的后部。其中，力反馈控制装置23的一端设置有固定圈311，固定圈311与力反馈控制装置23通过连接部312连接，连接部312呈辐射状设置，应变片均布设置在连接部312上，永磁性操作杆22穿过固定圈311，正向力感应器32设置于永磁性操作杆22与操作手柄21的连接处，操作手柄上设有测力容腔211，测力容腔内设有球形测力块212，正向力感应器32安装在测力容腔211的前后两个侧壁上，永磁性操作杆22贯穿过测力容腔211，并与球形测力块212相连接。在使用时，当永磁性操作杆22受到侧向的力时，永磁性操作杆22对固定圈311施加相应的侧向力，侧向力会导致连接部312受到挤压产生形变，导致设置于连接部312上的应变片发生变化，再通过应变片的参数变化，可以获得相应连接部312上的受力情况，由于连接部312呈辐射状设置，交于一点，因此，结合三个连接部312的受力可以计算出永磁性操作杆22受到的侧向力的大小和方向，从而检测出此受力；正向力感应器32可以检测到永磁性操作杆22受到的拉力或推力，当永磁性操作杆22受到推力或压力时，永磁性操作杆22对球形测力块212产生作用力，球形测力块212与测力容腔211前后两个侧壁上的正向力传感器32产生挤压力，通过正向力感应器32的参数变化，即可获得永磁性操作杆22受到的拉力或推力的大小，球形测力块212的设置允许永磁性操作杆22在测力容腔211内发生一定量的位移，提高了设备的使用寿命；压力感应单元3检测到的力的大小通过具体数值的形式显示在计算机屏幕上，并设置各项力的上限值，当受力超过上限值时给予操作者一定的提示，使操作者通过数据的形式更直观的训练手感，提高训练效果。
上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种两用手术仿真训练装置，其特征在于：包括转动操作单元，所述转动操作单元上固定安装有手术操作部，转动操作单元与手术操作部上均安装有可读取其转动角度或位移信号的信息反馈单元以及提供反馈力的驱动单元，手术操作部上安装有压力感应单元，压力感应单元用以检测手术操作部受到的力,所述压力感应单元包括侧向力感应器与正向力感应器，侧向力感应器安装在力反馈控制装置上，用于感应永磁性操作杆的侧向力，正向力感应器安装在永磁性操作杆与操作手柄的连接处，用于感应永磁性操作杆受到的正向力,所述操作手柄上设有测力容腔，测力容腔内设有球形测力块，正向力感应器安装在测力容腔的前后两个侧壁上，永磁性操作杆贯穿过测力容腔，并与球形测力块相连接，所述手术操作部包括操作手柄、永磁性操作杆与力反馈控制装置，永磁性操作杆内部设有一个柱形永磁铁，永磁性操作杆的一端与操作手柄固定连接，力反馈控制装置的中部设有一个与永磁性操作杆杆径大小相当的通孔，永磁性操作杆自由地穿过该通孔，力反馈控制装置固定设置于垂直转动组件上，力反馈控制装置内位于永磁性操作杆的两侧设有一个带铁心的力反馈线圈及其驱动电路。
2.根据权利要求1所述的两用手术仿真训练装置，其特征在于：所述转动操作单元包括垂直转动组件与水平转动组件，垂直转动组件安装于水平转动组件上，垂直转动组件与水平转动组件为手术操作部提供反馈力。
3.根据权利要求2所述的两用手术仿真训练装置，其特征在于：所述水平转动组件包括转动台，转动台内安装有水平电机与水平转动传感器，水平电机与水平转动传感器均通过齿轮传动与垂直传动组件相连接。
4.根据权利要求2所述的两用手术仿真训练装置，其特征在于：所述垂直转动组件包括支撑架，支撑架内安装有垂直电机与垂直转动传感器，垂直电机与垂直转动传感器均通过齿轮传动与手术操作部相连接。
5.根据权利要求1所述的两用手术仿真训练装置，其特征在于：所述侧向力感应器包括至少三个应变片，应变片沿径向均布设置在力反馈控制装置上。
6.根据权利要求5所述的两用手术仿真训练装置，其特征在于：所述力反馈控制装置的一端设置有固定圈，固定圈与力反馈控制装置之间设有用于固定应变片的连接部，连接部沿固定圈的中心轴线呈辐射状均布设置，永磁性操作杆穿过固定圈。
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